Study of the spin-lattice coupling using a single-shot x-ray measurement in ultrahigh magnetic fields

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20521
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松田 康弘 東京大学, 物性研究所, 教授 (10292757)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 暁彦 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (90707663) ; 久保田 雄也 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (30805510)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 強磁場 / 自由電子レーザー / シングルショット / X線

Outline of Annual Research Achievements

X線は物質の構造や電子状態を微視的に明らかにする優れたプローブであり、磁場中で起こる様々な量子現象を理解するために、強磁場環境下でのX線実験技術 の開発は興味深く重要である。世界的に放射光X線とパルス強磁場を組み合わせて40テスラの実験が可能となっているが、現状の技術の延長では磁場の上限は50 テスラ程度にとどまる。マイクロ秒の超高速磁場を用いれば100テスラ以上の超強磁場X線実験が可能となるが、X線の光源もシングルショットで十分な強度を有する自由電子レーザー(XFEL)を用いることが必須となる。本年度、パルス超強磁場発生可能となるシステムを構築し、実際にその装置を用いたXFEL実験を兵庫県の自由電子レーザー施設SACLAにて2021年5月25~28日(課題番号2021A8063)および、2022年2月22~25日(課題番号2021B8064)で行った。最大77テスラの磁場を安全に発生し、実際にその下でX線回折計測に成功したことで、X線回折実験の世界記録を大きく上回ることができた。2021年5月の実験では、Mn酸化物BiCa0.5Mn0.5O3における磁場誘起電荷秩序融解に伴う構造相転移をX線回折でとらえ、結果はApplied Physics Letter誌に論文掲載された。BiCa0.5Mn0.5O3は、これまでに50テスラ付近で相転移が起こることが予想されていたが、実際に結晶構造の変化を確かめることはできていなかった。さらに、この物質は低温では相転移の動的挙動が緩慢になる傾向が磁化測定からわかっており、結晶格子変形との関連は今後興味深い研究テーマである。また、2022年2月には(Pr,Y)CaCoO3における磁場中X線回折実験を低温で行い、Prの価数転移とCoのスピン転移による構造相転移の観点から現在結果を解析・考察中である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた100テスラ磁場発生装置に関しては、安全面や他の機器への破壊の影響などの観点から、第一段階としてX線実験に応用可能と考えている磁場は約70テスラであったが、本年度、77テスラでの実験に成功したため、計画は順調である。X線検出装置は実験開始時には磁場発生に伴う動作エラーが見られたが、配線ケーブルへのノイズ対策などを施すことで安定に動作させることが可能となった。マンガン酸化物の磁場誘起電荷秩序抑制による結晶構造相転移を約50テスラで観測でき、精密な物性計測への適用も可能であることが証明できた。国際欧文学術雑誌であるApplied Physics Lettersへの論文掲載も行うことができ、関連する研究分野へのインパクトも大きいと判断される。今後、大きな研究展開が期待でき、様々な物質への適用を考えているが、計画書にある固体酸素やCo酸化物への適用には、100テスラを超える磁場が必要であり、装置のさらなる改良を現在進めている。これらのことからも、計画は順調であると判断される。

Strategy for Future Research Activity

超強磁場中のX線自由電子レーザーの実験を継続して行なっていく。また、最高磁場の値を段階的に上昇させていく。一巻きコイルでは、内径を1 mm程度にすれば100 Tの発生が可能になると期待されるが、磁場値の上昇にともなって電磁ノイズが周辺機器に及ぼす影響も大きくなるため、慎重に進める。対象物質の幅を広げ、70テスラ以上の世界最強磁場中X線実験の有効性を示していく。さらに、試料温度を変化させることができるように実験装置を改良し、広範囲の物質に適用可能にする。実際に、昨年度2月の実験では低温で実験を行うことが可能であることを確かめ、様々な温度、磁場における構造相転移の振る舞いを観測した。本研究で開発した60テスラを超える強磁場下でのシングルショットX線回折測定技術は世界唯一であり、インパクトのある研究テーマに応用することが重要であると考えている。

Causes of Carryover

昨年度11月に、共同研究者である池田暁彦氏が東大から電通大へ異動となり、研究計画遂行に大きな問題は生じなかったものの、実験の具体的なスケジュールなどを再考する必要が生じたた。そのため購入物品計画についても見直す必要があり、次年度以降に使用することを決めた。考慮の結果、池田氏が東大で行う予定であった実験準備作業などを補助するための研究協力者が必要との結論となったため、次年度は、人件費として経費を使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Generating 77 T using a portable pulse magnet for single-shot quantum beam experiments (2022)
  • Author(s): Akihiko Ikeda, Yasuhiro H. Matsuda, Xuguang Zhou, Shiyue Peng, Yuto Ishii, Takeshi Yajima, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Yuichi Inubushi, Kensuke Tono, and Makina Yabashi
  • Journal Title: Applied Physcs Letters Volume: 120 Pages: 142403 1-6
  • DOI: 10.1063/5.0088134
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Generation of 70 T using a portable single turn coil system PINK-01 for novel quantum beam experiments (2021)
  • Author(s): 池田暁彦, 松田康弘
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Field-induced melting of charge ordered phase in Bi1-xCaxMnO3 (x = 0.4, 0.5): A single shot XRD study at high magnetic fields up to 70 T (2021)
  • Author(s): 池田暁彦, 石井裕人, 周旭光, 彭詩悦, 松田康弘, 矢島健, 久保田雄也, 井上伊知郎, 犬伏雄一, 登野健介, 矢橋牧名
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会